KR102271649B1 - 차체의 보강 부재의 형상 최적화 방법 및 형상 최적화 장치 - Google Patents

차체의 보강 부재의 형상 최적화 방법 및 형상 최적화 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명에 관련된 차체의 보강 부재의 형상 최적화 방법은, 차체인 구조체의 일부에 결합하는 구조체와 재료 특성이 상이한 보강 부재의 최적의 형상을 구하는 것으로서, 평면 요소 및/또는 입체 요소를 사용하여 구조체를 모델화한 구조체 모델을 취득하는 구조체 모델 취득 스텝과, 입체 요소로 이루어지고 구조체 모델의 일부와 결합하는 구조체와는 다른 보강 부재 모델을 생성하는 보강 부재 모델 생성 스텝과, 보강 부재 모델의 재료 특성을 설정하는 재료 특성 설정 스텝과, 보강 부재 모델을 구조체 모델의 일부에 결합하여 최적화 해석 모델을 생성하는 최적화 해석 모델 생성 스텝과, 보강 부재 모델을 해석 대상으로 하여 최적화 해석을 실시하여, 보강 부재 모델의 최적의 형상을 구하는 최적화 해석 스텝을 포함한다.

Description

차체의 보강 부재의 형상 최적화 방법 및 형상 최적화 장치
본 발명은, 자동차 차체 구조를 보강하는 보강 부재 (reinforcement) 의 최적의 형상을 구하는 차체 (automotive body) 의 보강 부재의 형상 최적화 방법 및 형상 최적화 장치에 관한 것으로, 특히 최적화 해석 (optimization analysis) 방법에 의해 보강 부재의 형상을 최적화하는 차체의 보강 부재의 형상 최적화 방법 및 형상 최적화 장치에 관한 것이다. 또한, 본 발명에 있어서 형상 최적화 (shape optimization) 란, 미리 소정의 형상, 예를 들어 T 자 형상을 상정하고, 그 소정의 형상을 전제로 하여 최적의 형상을 구하는 것이 아니고, 소정의 형상을 상정하지 않고 해석 조건을 만족시키는 최적의 형상을 구하는 것을 의미한다.
최근, 특히 자동차 산업에 있어서는 환경 문제에서 기인한 차체의 경량화 (weight reduction of automotive body) 가 진행되어 있고, 차체의 설계에 컴퓨터 지원 공학 (computer aided engineering) 에 의한 해석 (이하, 「CAE 해석」이라고 한다) 은 빠뜨릴 수 없는 기술이 되어 있다. 이 CAE 해석에서는 수리 최적화 (mathematical optimization), 판 두께 최적화 (thickness optimization), 형상 최적화 (shape optimization), 및 토폴러지 최적화 (topology optimization) 등의 최적화 기술을 이용함으로써, 차체의 경량화나 강성 (stiffness) 의 향상 등과 같은 차체 성능 (performance of automotive body) 의 향상이 도모되는 것이 알려져 있고, 이들 최적화 기술은 예를 들어 엔진 블록 (engine block) 등의 주물의 구조 최적화 (structural optimization) 에 자주 이용되고 있다.
최적화 기술 중에서도, 특히 토폴러지 최적화가 주목되고 있다. 토폴러지 최적화란, 어느 정도의 크기의 설계 공간을 형성하고, 설계 공간에 입체 요소 (three-dimensional element) 를 도입하여, 부여된 조건을 만족시키고, 또한 필요 최소한의 입체 요소의 부분을 남김으로써, 부여된 조건을 만족시키는 최적 형상을 구하는 방법이다. 그 때문에, 토폴러지 최적화에서는, 설계 공간을 이루는 입체 요소에 직접 구속 (constraint) 을 실시하고, 직접 하중 (loading) 을 가한다는 방법이 이용된다. 이와 같은 토폴러지 최적화에 관한 기술로서, 복잡한 구조체의 컴포넌트 (component) 의 토폴러지 최적화를 위한 방법이 특허문헌 1 에 개시되어 있다.
일본 공개특허공보 2010-250818호
유게, 외 1 명, 「건설 기계의 최적 설계」, 세이케이 대학 공학 연구 보고, Vol.41, No.1, 2004년, p.1-5
자동차의 차체 등의 구조체는 주로 박판 (sheet) 을 사용하여 구성되어 있고, 이와 같은 박판으로 구성되는 차체의 일 부위에 대해 최적화 기술에 의해 형상을 최적화하는 경우, 종래에는 비특허문헌 1 에 기재되어 있는 바와 같이, 대상이 되는 차체의 일부를 취출하고, 취출한 부분을 독립시켜 최적화하고 있다. 이 때문에, 그 설계 공간에 대해 차체 전체로부터의 하중이나 구속 상태를 반영시키는 것은 곤란하고, 그 때문에 차체의 일 부위에 최적화 기술을 적용하는 것이 어렵다는 과제가 있었다. 또, 차체의 일 부위를 차체 전체의 최적화 해석으로부터 최적화 형상을 구했다고 해도, 최적화한 부위가 소멸되는 경우도 있어, 그것을 박판 구조에 적절히 반영시키려면 어떻게 해야 할 것인가라는 과제도 있었다.
특허문헌 1 에 개시되어 있는 기술은, 토폴러지 최적화에 의한 최적화 해석에 관련된 수학 연산 상의 수법 및 물리적 시스템에 관한 것이지, 상기와 같은 박판 구조의 최적화와 같은 과제에 대해서는 전혀 해결 수단을 부여하는 것은 아니다.
또한, 최근, 자동차의 차체를 구성하는 박판에, 박판과 상이한 재료 특성인 수지 (resin) 나 FRP (Fiber-Reinforced Plastics ; 섬유 강화 수지) 로 이루어지는 보강 부재를 첩부하여 보강하고, 차체의 강성이나 강도 (strength) 를 향상시키는 것이 실시되고 있다. 그러나, 이와 같은 보강 부재의 형상이나 보강 부재의 첩부 위치를 최적화의 대상으로 한 종래 기술은 없어, 차체를 보강하는 보강 부재의 최적화 형상을 구하는 최적화 기술의 개발이 요망되고 있었다.
본 발명은, 상기 과제를 감안하여 이루어진 것으로, 그 목적은, 차체인 구조체의 일부에 구조체와 상이한 재료 특성 (material properties) 의 보강 부재를 결합하여 구조체를 보강하는 데에 있어서, 보강 부재의 최적의 형상을 구하는 것이 가능한 차체의 보강 부재의 형상 최적화 방법 및 형상 최적화 장치를 제공하는 것에 있다.
본 발명에 관련된 차체의 보강 부재의 형상 최적화 방법은, 차체인 구조체의 일부에 결합 (joining) 하는 그 구조체와 재료 특성이 상이한 보강 부재의 최적의 형상을 구하는 것이고, 컴퓨터가 이하의 각 스텝을 실시하는 것으로, 평면 요소 (two-dimensional element) 및/또는 입체 요소를 사용하여 상기 구조체를 모델화한 구조체 모델을 취득하는 구조체 모델 취득 스텝과, 입체 요소로 이루어지고 상기 구조체 모델의 일부와 결합하는 상기 구조체와는 다른 보강 부재 모델을 생성하는 보강 부재 모델 생성 스텝과, 그 보강 부재 모델의 재료 특성을 설정하는 재료 특성 설정 스텝과, 상기 보강 부재 모델을 상기 구조체 모델의 일부에 결합하여 최적화 해석 모델을 생성하는 최적화 해석 모델 생성 스텝과, 그 생성한 최적화 해석 모델에 해석 조건을 부여하고, 상기 보강 부재 모델을 최적화의 해석 대상으로 하여 최적화 해석을 실시하여, 상기 보강 부재 모델의 최적의 형상을 구하는 최적화 해석 스텝을 포함한다.
또한, 상기 재료 특성 설정 스텝은, 상기 보강 부재 모델의 재료 특성으로서, 영률 (Young's modulus), 포아송비 (Poisson's modulus), 및 비중 (specific gravity) 을 설정하는 것이 바람직하다.
또, 상기 재료 특성 설정 스텝은, 상기 보강 부재 모델의 재료 특성의 면내 이방성 (in-plane anisotropy) 을 부여하는 주축 (principal axis) 각도를 부여하고, 그 주축 각도에 대응하는 상기 재료 특성의 값을 설정하고, 상기 보강 부재가 복수의 층으로 이루어지는 경우에는, 각각의 주축 각도를 갖는 층을 중첩하는 것이 바람직하다.
또, 상기 최적화 해석 스텝은, 토폴러지 최적화에 의한 해석 처리를 실시하는 것이 바람직하다.
본 발명에 관련된 차체의 보강 부재의 형상 최적화 장치는, 차체인 구조체의 일부에 결합하는 그 구조체와 재료 특성이 상이한 보강 부재의 최적의 형상을 구하는 것으로서, 평면 요소 및/또는 입체 요소를 사용하여 상기 구조체를 모델화한 구조체 모델을 취득하는 구조체 모델 취득부와, 입체 요소로 이루어지고 상기 구조체 모델의 일부와 결합하는 상기 구조체와는 다른 보강 부재 모델을 생성하는 보강 부재 모델 생성부와, 그 보강 부재 모델의 재료 특성을 설정하는 재료 특성 설정부와, 상기 보강 부재 모델을 상기 구조체 모델의 일부에 결합하여 최적화 해석 모델을 생성하는 최적화 해석 모델 생성부와, 그 생성한 최적화 해석 모델에 해석 조건을 부여하고, 상기 보강 부재 모델을 최적화의 해석 대상으로 하여 최적화 해석을 실시하여, 상기 보강 부재 모델의 최적의 형상을 구하는 최적화 해석부를 구비한다.
또한, 상기 재료 특성 설정부는, 상기 보강 부재 모델의 재료 특성으로서, 영률, 포아송비, 및 비중을 설정하는 것이 바람직하다.
또, 상기 재료 특성 설정부는, 상기 보강 부재 모델의 재료 특성의 면내 이방성을 부여하는 주축 각도를 부여하고, 그 주축 각도에 대응하는 상기 재료 특성의 값을 설정하고, 상기 보강 부재가 복수의 층으로 이루어지는 경우에는, 각각의 주축 각도를 갖는 층을 중첩하는 것이 바람직하다.
또, 상기 최적화 해석부는, 토폴러지 최적화에 의한 해석 처리를 실시하는 것이 바람직하다.
본 발명에 의하면, 구조체를 보강하는 보강 부재의 최적의 형상을 양호한 정밀도로 구할 수 있고, 최적의 형상의 보강 부재를 구조체에 결합하는 것에 의해, 구조체의 소정의 성능을 향상시키거나, 또, 소정의 성능으로 유지하면서 경량화에 이바지하거나 하는 것이 가능해진다.
도 1 은, 본 발명의 실시형태에 관련된 차체의 보강 부재의 형상 최적화 장치의 블록도 (block diagram) 이다.
도 2 는, 실시형태에서 해석 대상으로 하는 차체 모델, 보강 부재 모델, 및 최적화 해석 모델을 설명하는 도면이다.
도 3 은, 실시형태에 있어서, 입체 요소를 사용하여 생성한 보강 부재 모델과, 보강 부재 모델과 차체 모델의 결합 상태 및 방법을 설명하는 도면이다.
도 4 는, 실시형태에 관련된 최적화 해석에 있어서 최적화 해석 모델에 부여하는 하중 구속 조건의 일례를 나타내는 도면이다.
도 5 는, 실시형태에 관련된 최적화 해석에 의해 형상 최적화된 최적 형상 보강 부재 모델의 일례를 나타내는 도면이다 ((a) : 사시도, (b) : 상면도).
도 6 은, 실시형태에 관련된 차체의 보강 부재의 형상 최적화 방법의 처리의 흐름을 나타내는 플로 차트이다.
도 7 은, 실시예에 있어서 차체 모델에 하중 구속 조건을 부여했을 때의 차체 변위 (displacement) 의 해석 결과를 나타내는 도면이다.
도 8 은, 실시예에 있어서 형상 최적화된 최적 형상 보강 부재 모델의 두께 방향의 형상을 설명하는 도면이다 ((a) : A-A 단면, (b) : 상면, (c) : B-B 단면).
도 9 는, 실시예에 있어서 최적화 해석 모델에 하중 구속 조건을 부여했을 때의 보강 부재 모델에 발생하는 응력 분포 (stress distribution) 를 설명하는 도면이다 ((a) : A-A 단면, (b) : 전체, (c) : B-B 단면).
도 10 은, 실시예에 있어서 최적 형상 보강 부재 모델을 사용하여 차체 모델을 경량화하는 경량화 해석 모델을 설명하는 도면이다 ((a) : 루프 레인포스 (roof reinforcement) 를 갖는 차체 모델, (b) : 루프 레인포스를 제거한 차체 모델, (c) : 최적 형상 보강 부재 모델).
도 11 은, 실시예에 있어서, 차체 모델의 루프부 (roof portion) 의 판 두께와 루프부의 중량의 관계 (a), 및 루프부의 판 두께와 차체 모델의 변화 중량 (weight change) 의 관계 (b) 를 나타내는 그래프이다.
도 12 는, 실시예에 있어서 최적 형상 보강 부재 모델을 결합한 경량화 해석 모델의 루프부의 판 두께와 강성 향상률 (improvement rate of rigidity) 의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 13 은, 실시예에 있어서 차체 모델 및 경량화 해석 모델에 하중 구속 조건을 부여했을 때의 루프부에 있어서의 변형 (deformation) 을 설명하는 도면이다.
본 발명의 실시형태에 관련된 차체의 보강 부재의 형상 최적화 방법 및 형상 최적화 장치에 대해 설명하기에 앞서, 본 발명에서 대상으로 하는 구조체 모델에 대해 설명한다. 또한, 본 명세서에 첨부하는 도면에 있어서는, 형상 및 치수가 나타나 있는 경우가 있지만, 본 발명은 이들 형상 및 치수에 한정되는 것은 아니다.
＜구조체 모델＞
구조체 모델은, 구조체의 일부에 구조체와 상이한 재료 특성의 보강 부재를 결합하는 데에 있어서, 평면 요소 및/또는 입체 요소를 사용하여 구조체를 모델화한 것으로, 본 실시형태에서는, 구조체 모델로서, 도 2(a) 에 나타내는 차체 모델 (31) 을 대상으로 하고 있다.
차체 모델 (31) 은, 자동차의 차체 골격 (automotive body frame) 부품 (part) 이나 새시 (chassis) 부품 등과 같은 복수의 부품으로 구성된 것이고, 차체 모델 (31) 의 각 부품은, 평면 요소 및/또는 입체 요소에 의해 모델화되어 d있다. 또, 차체 모델 (31) 을 구성하는 각 부품의 요소 (평면 요소 및 입체 요소) 나 재료 특성 (재질 (material properties)) 등에 관한 정보는, 구조체 모델 파일 (23) (도 1 참조) 에 격납되어 있다.
또한, 본 실시형태에서는, 차체의 루프 (도 2 에 나타내는 차체 모델 (31) 의 루프부 (33) 에 대응) 의 하면에, 차체와 상이한 재료 특성의 보강 부재를 첩부하는 것에 의해 보강하고, 적설 (fallen snow) 강도를 향상시키는 경우를 대상으로 한 예를 나타낸다.
＜차체의 보강 부재의 형상 최적화 장치＞
다음으로, 본 실시형태에 관련된 차체의 보강 부재의 형상 최적화 장치 (1) (이하, 간단히 「형상 최적화 장치 (1)」라고 한다) 의 구성에 대해, 도 1 ∼ 5 에 기초하여 이하에 설명한다.
본 실시형태에 관련된 형상 최적화 장치 (1) 는, 차체인 구조체의 일부에 그 구조체의 일부와 상이한 재료 특성의 보강 부재를 결합하여 구조체를 보강하는 데에 있어서, 보강 부재의 최적의 형상을 구하는 것으로, 도 1 에 나타내는 바와 같이, PC (퍼스널 컴퓨터) 등에 의해 구성되고, 표시 장치 (display device) (3), 입력 장치 (input device) (5), 기억 장치 (memory device) (7), 작업용 데이터 메모리 (working data memory) (9), 및 연산 처리부 (arithmetic processing unit) (11) 를 가지고 있다. 그리고, 표시 장치 (3), 입력 장치 (5), 기억 장치 (7), 및 작업용 데이터 메모리 (9) 는, 연산 처리부 (11) 에 접속되고, 연산 처리부 (11) 로부터의 지령에 의해 각각의 기능이 실행된다. 이하, 본 실시형태에 관련된 형상 최적화 장치 (1) 의 각 구성에 대해 설명한다.
≪표시 장치≫
표시 장치 (3) 는, 해석 결과의 표시 등에 사용되고, 액정 모니터 등으로 구성된다.
≪입력 장치≫
입력 장치 (5) 는, 구조체 모델 파일 (23) 의 표시 지시나 조작자의 조건 입력 등에 사용되고, 키보드나 마우스 등으로 구성된다.
≪기억 장치≫
기억 장치 (7) 는, 구조체 모델 파일 (23) 등의 각종 파일의 기억 등에 사용되고, 하드 디스크 등으로 구성된다.
≪작업용 데이터 메모리≫
작업용 데이터 메모리 (9) 는, 연산 처리부 (11) 에서 사용하는 데이터의 일시 보존이나 연산에 사용되고, RAM (Random Access Memory) 등으로 구성된다.
≪연산 처리부≫
연산 처리부 (11) 는, 도 1 에 나타내는 바와 같이, 구조체 모델 취득부 (13) 와, 보강 부재 모델 생성부 (15) 와, 재료 특성 설정부 (17) 와, 최적화 해석 모델 생성부 (19) 와, 최적화 해석부 (21) 를 갖고, PC 등의 CPU (중앙 연산 처리 장치) 에 의해 구성된다. 이들 각 부는, CPU 가 소정의 프로그램을 실행함으로써 기능한다. 연산 처리부 (11) 에 있어서의 상기의 각 부의 기능을 이하에 설명한다.
(구조체 모델 취득부)
구조체 모델 취득부 (13) 는, 자동차의 차체를 평면 요소 및/또는 입체 요소를 사용하여 모델화한 차체 모델 (31) (도 2(a) 참조) 을 취득하는 것이고, 기억 장치 (7) 에 기억된 구조체 모델 파일 (23) 로부터 차체 모델 (31) 의 요소 정보나 재료 특성 정보를 판독 입력하는 것에 의해 취득할 수 있다. 단, 구조체 모델 취득부 (13) 는, 차체의 CAD 데이터에 기초하여, 차체를 평면 요소 및/또는 입체 요소에 의해 모델화하여 차체 모델 (31) 을 새롭게 생성하는 것이어도 된다.
(보강 부재 모델 생성부)
보강 부재 모델 생성부 (15) 는, 입체 요소로 이루어지고 차체 모델 (31) (도 2(a) 참조) 의 일부와 결합하는 차체 모델 (31) 과는 다른 보강 부재 모델 (35) (도 2(b) 참조) 을 생성하는 것이다. 이하, 보강하는 차체의 대상 부위 (portion) 로서, 루프부 (33) 를 예로서 설명한다.
보강 부재 모델 (35) 은, 예를 들어 도 3 에 나타내는 바와 같이, 차체 모델 (31) 에 있어서 보강하는 대상이 되는 부위인 루프부 (33) 의 하면으로부터 하방을 향하여 입체 요소 (35a) 를 겹쳐 쌓도록 생성할 수 있다. 보강 부재 모델 생성부 (15) 에 의해 생성되는 보강 부재 모델 (35) 은, 후술하는 최적화 해석부 (21) 에 의한 최적화 해석의 대상이 되는 것으로, 최적화 해석의 과정에 있어서 보강에 불필요한 부위에 위치하는 입체 요소를 소거하고, 보강에 필요한 부위에 위치하는 입체 요소를 잔존시킨다.
또한, 보강 부재 모델 생성부 (15) 는, 루프부 (33) 의 하면으로부터 하방에 소정의 설계 공간을 설정하고, 설계 공간을 복수의 입체 요소로 요소 분할함으로써, 보강 부재 모델 (35) 을 생성하는 것이어도 된다.
(재료 특성 설정부)
재료 특성 설정부 (17) 는, 보강 부재 모델 생성부 (15) 가 생성한 보강 부재 모델 (35) 의 재료 특성을 설정하는 것이다. 재료 특성 설정부 (17) 가 설정하는 보강 부재 모델 (35) 의 재료 특성으로서, 영률, 포아송비, 및 비중 등을 들 수 있다.
또한, 보강 부재 모델 (35) 로서, 예를 들어 FRP (Fiber-Reinforced Plastics ; 섬유 강화 수지) 와 같이, 그 재료 특성 (기계적 특성 (mechanical properties)) 이 면내 이방성을 갖는 재료를 대상으로 하는 경우에 있어서는, 보강 부재 모델 (35) 의 재료 특성의 면내 이방성을 부여하는 주축 각도를 부여하고, 주축 각도에 대응하는 재료 특성의 값을 설정함으로써, 보강 부재 모델 (35) 의 재료 특성에 면내 이방성을 설정할 수 있다. 또, 보강 부재가 복수의 층으로 이루어지는 경우에 있어서는, 복수의 층마다 주축 각도를 설정하는 것도 가능하다.
또한, 재료 특성 설정부 (17) 는, 후술하는 최적화 해석 모델 생성부 (19) 에 의해 보강 부재 모델 (35) 을 차체 모델 (31) 의 일부에 결합하여 최적화 해석 모델 (41) (도 2(c) 참조) 을 생성한 후, 최적화 해석 모델 (41) 에 있어서의 보강 부재 모델 (35) 의 재료 특성을 설정하는 것이어도 된다.
(최적화 해석 모델 생성부)
최적화 해석 모델 생성부 (19) 는, 도 2 에 나타내는 바와 같이, 보강 부재 모델 생성부 (15) 가 생성한 보강 부재 모델 (35) 을 차체 모델 (31) 의 일부에 결합하여 최적화 해석 모델 (41) 을 생성하는 것이다. 예를 들어, 루프부 (33) 와 보강 부재 모델 (35) 을 결합하는 방법으로는, 루프부 (33) 가 평면 요소 (33a) 로 모델화되어 있는 경우, 예를 들어 도 3 에 나타내는 바와 같이, 보강 부재 모델 (35) 의 입체 요소 (35a) 의 노드 (절점 (node)) 와 루프부 (33) 의 평면 요소 (33a) 의 노드를 공유하는 경우가 있다.
그렇다고는 해도, 최적화 해석 모델 생성부 (19) 는, 예를 들어 강체 요소를 개재하여 차체 모델 (31) 의 일부와 보강 부재 모델 (35) 의 노드끼리를 연결하는 것이어도 되고, 차체 모델 (31) 의 일부와 보강 부재 모델 (35) 사이에서 하중이 전달되는 것이면 특별히 한정되지 않고, 빔 요소 (beam elements), 로드 요소 (rod elements), 강체 결합 요소 (rigid coupling elements) 등이어도 된다. 또한, 차체 모델 (31) 에 있어서 보강 부재 모델 (35) 과 결합하는 부위가 입체 요소로 모델화되어 있는 경우에 있어서는, 상기와 같이, 최적화 해석 모델 생성부 (19) 는, 결합하는 부위의 입체 요소와 보강 부재 모델 (35) 의 입체 요소를 노드 공유 등에 의해 결합하는 것이면 된다.
또한, 최적화 해석 모델 생성부 (19) 에 의해 최적화 해석 모델 (41) 을 생성하는 데에 있어서는, 차체 모델 (31) 로부터 분리한 상태에 있는 차체 모델 (31) 의 일부에 보강 부재 모델 (35) 을 결합하여 일체화하고, 일체화한 차체 모델 (31) 의 일부와 보강 부재 모델 (35) 을 차체 모델 (31) 에 결합하는 것이어도 된다.
(최적화 해석부)
최적화 해석부 (21) 는, 최적화 해석 모델 생성부 (19) 가 생성한 최적화 해석 모델 (41) (도 2(c) 참조) 에 해석 조건을 부여하고, 보강 부재 모델 (35) 을 최적화의 해석 처리를 실시하는 대상으로 하여 최적화 해석을 실시하여, 보강 부재 모델 (35) 의 최적 형상을 구하는 것이다. 최적화 해석부 (21) 에 의한 최적화 해석에는, 예를 들어 토폴러지 최적화를 적용할 수 있다. 토폴러지 최적화에 있어서 밀도법 (density method) 을 이용할 때에, 중간적인 밀도가 많은 경우에는 이산화(離散化) (discretization) 가 바람직하고, 하기 식으로 나타낸다. 이산화에 자주 사용되는 패널티 계수는 2 이상이고, 패널티 계수의 값은 적절히 설정할 수 있다.
K (ρ) = ρpK
단,
K : 요소의 강성 매트릭스 (stiffness matrix) 에 패널티 (penalty) 를 부과한 강성 매트릭스
K : 요소의 강성 매트릭스
ρ : 규격화 (normalization) 된 밀도
p : 패널티 계수
또한, 최적화 해석부 (21) 는, 토폴러지 최적화 처리를 실시하는 것이어도 되고, 다른 계산 방식에 의한 최적화 처리여도 된다. 따라서, 최적화 해석부 (21) 로는, 예를 들어 시판되고 있는 유한 요소 (finite element) 를 사용한 해석 소프트를 사용할 수도 있다.
최적화 해석을 실시하기 위한 해석 조건으로는, 최적화 해석 모델 (41) 에 하중을 부가하는 위치나 구속 위치를 부여하는 하중 구속 조건과, 최적화 해석의 목적에 따라 설정하는 목적 조건과, 최적화 해석을 실시하는 데에 있어서 부과하는 제약 조건이 있다.
도 4 에, 하중 구속 조건의 일례를 나타낸다. 도 4 에 나타내는 하중 구속 조건은, 루프부 (33) 의 적설 강도를 평가하는 것을 상정한 것으로, 최적화 해석 모델 (41) 의 하부에 있는 4 개 지점의 잭 업 (jack up) 설치부를 완전 구속으로 하고, 루프부 (33) 의 상면에 차체 높이 방향 하향의 분포 하중을 부여한 것이다.
목적 조건으로는, 예를 들어 최적화 해석 모델 (41) 에 있어서의 변형 (strain) 에너지 총합의 최소화, 변위의 최소화, 강성의 최대화 등이 있다. 또한, 제약 조건으로는, 최적화 해석의 대상이 되는 보강 부재 모델 (35) 의 체적 제약률 (volume function constraints rate) 등이 있다. 제약 조건은 복수 설정 가능하다.
도 5 에, 최적화 해석부 (21) 에 토폴러지 최적화를 적용하여 얻어진 최적 형상 보강 부재 모델 (43) 의 일례를 나타낸다. 도 5 에 있어서는, 최적 형상 보강 부재 모델 (43) 을 표시하기 위해서 루프부 (33) 를 비표시로 하고 있다. 최적 형상 보강 부재 모델 (43) 은, 도 5 에 나타내는 바와 같이, 상기의 해석 조건 (하중 구속 조건, 목적 조건, 제약 조건) 을 만족시키도록 입체 요소를 잔존 및 소거함으로써 구해진다.
＜차체의 보강 부재의 형상 최적화 방법＞
다음으로, 본 실시형태에 관련된 차체의 보강 부재의 형상 최적화 방법 (이하, 간단히 「형상 최적화 방법」이라고 한다) 에 대해, 이하에 설명한다.
본 실시형태에 관련된 형상 최적화 방법은, 차체인 구조체의 일부에 구조체의 일부와 상이한 재질의 보강 부재를 결합하여 구조체를 보강하는 데에 있어서, 보강 부재의 최적의 형상을 구하는 것으로서, 도 6 에 나타내는 바와 같이, 구조체 모델 취득 스텝 (S1) 과, 보강 부재 모델 생성 스텝 (S3) 과, 재료 특성 설정 스텝 (S5) 과, 최적화 해석 모델 생성 스텝 (S7) 과, 최적화 해석 스텝 (S9) 을 포함하는 것이다. 이하, 각 스텝에 대해 설명한다. 또한, 본 실시형태에 관련된 형상 최적화 방법은, 상기의 각 스텝을 컴퓨터에 의해 구성된 형상 최적화 장치 (1) (도 1 참조) 를 사용하여 실행하는 것이다.
≪구조체 모델 취득 스텝≫
구조체 모델 취득 스텝 (S1) 은, 평면 요소 및/또는 입체 요소를 사용하여 구조체를 모델화한 구조체 모델로서 도 2(a) 에 나타내는 차체 모델 (31) 을 취득하는 스텝으로, 형상 최적화 장치 (1) 에 있어서는, 구조체 모델 취득부 (13) 가 실시한다.
≪보강 부재 모델 생성 스텝≫
보강 부재 모델 생성 스텝 (S3) 은, 입체 요소 (35a) (도 3 참조) 로 이루어지고, 차체 모델 (31) 의 일부와 결합하는 차체 모델 (31) 과는 다른 보강 부재 모델 (35) (도 2(b) 참조) 을 생성하는 스텝으로, 도 1 에 나타내는 형상 최적화 장치 (1) 에 있어서는 보강 부재 모델 생성부 (15) 가 실시한다.
≪재료 특성 설정 스텝≫
재료 특성 설정 스텝 (S5) 은, 보강 부재 모델 생성 스텝 (S3) 에 있어서 생성한 보강 부재 모델 (35) 의 재료 특성을 설정하는 스텝으로, 형상 최적화 장치 (1) 에 있어서는 재료 특성 설정부 (17) 가 실시한다. 재료 특성 설정 스텝 (S5) 에 있어서 보강 부재 모델 (35) 에 설정하는 재료 특성으로는, 영률, 포아송비, 및 비중 등을 들 수 있다.
또한, 보강 부재가, 예를 들어 FRP 와 같이 그 재료 특성이 면내 이방성을 갖는 경우에 있어서는, 보강 부재 모델 (35) 의 재료 특성의 면내 이방성을 부여하는 주축 각도를 부여하고, 주축 각도에 대응하는 재료 특성의 값을 설정함으로써, 보강 부재 모델 (35) 의 재료 특성의 면내 이방성이 설정된다. 또, 보강 부재가 복수의 층으로 이루어지는 경우에 있어서는, 복수의 층마다 주축 각도를 설정하는 것도 가능하다.
≪최적화 해석 모델 생성 스텝≫
최적화 해석 모델 생성 스텝 (S7) 은, 보강 부재 모델 생성 스텝 (S3) 에 있어서 생성한 보강 부재 모델 (35) 을 차체 모델 (31) 의 일부에 결합하여 최적화 해석 모델 (41) 을 생성하는 것으로, 도 1 에 나타내는 형상 최적화 장치 (1) 에 있어서는 최적화 해석 모델 생성부 (19) 가 실시한다.
≪최적화 해석 스텝≫
최적화 해석 스텝 (S9) 은, 최적화 해석 모델 생성 스텝 (S7) 에 있어서 생성한 최적화 해석 모델 (41) 에 해석 조건을 부여하고, 보강 부재 모델 (35) 을 최적화의 해석 처리를 실시하는 대상으로 하여 최적화 해석을 실시하여, 보강 부재 모델 (35) 의 최적 형상을 구하는 스텝으로, 도 1 에 나타내는 형상 최적화 장치 (1) 에 있어서는 최적화 해석부 (21) 가 실시한다.
최적화 해석 모델 (41) 에 부여하는 해석 조건으로는, 최적화 해석 모델 (41) 에 하중을 부가하는 위치나 구속 위치를 부여하는 하중 구속 조건 (도 4 참조) 과, 최적화 해석의 목적에 따라 설정하는 목적 조건이 있다.
최적화 해석 스텝 (S9) 에 있어서의 최적화 해석에는, 토폴러지 최적화를 적용할 수 있다. 또한, 토폴러지 최적화에 있어서 밀도법을 적용하는 경우, 요소의 패널티 계수를 3 이상으로 설정하여 이산화를 실시하도록 하는 것이 바람직하다. 그렇다고는 해도, 최적화 해석 스텝 (S9) 에 있어서의 최적화 해석에는, 다른 계산 방식에 의해 최적화의 해석 처리를 적용할 수 있고, 최적화의 해석 처리를 실시하는 것으로는, 예를 들어 시판되고 있는 유한 요소를 사용한 해석 소프트를 사용할 수 있다.
이상, 본 실시형태에 관련된 차체의 보강 부재의 형상 최적화 방법 및 형상 최적화 장치에 의하면, 차체인 구조체를 보강하는 보강 부재의 최적의 형상을 양호한 정밀도로 구할 수 있다. 또한, 최적의 형상의 보강 부재를 사용함으로써, 구조체의 경량화를 도모하는 것이 가능해진다. 최적의 형상의 보강 부재를 사용한 구조체의 경량화에 대해서는, 후술하는 실시예에 있어서 구체적으로 설명한다.
또한, 상기에 있어서는, 차체의 루프를 보강하는 보강 부재의 형상 최적화를 대상으로 하여 설명했지만, 본 발명에서 형상 최적화의 대상으로 하는 부위는 이것에 한정되는 것이 아니고, 예를 들어 차체의 도어 패널 (door outer panel), 트렁크 (trunk), 후드 (hood), 및 펜더 (fender) 등을 보강하는 보강 부재의 형상 최적화하는 것이어도 된다. 또한, 상기의 설명은, 구조체로서 자동차의 차체를 대상으로 한 것이지만, 본 발명은 구조체의 종류를 한정하는 것은 아니다. 또, 본 발명의 적용예로서, 강판 (steel sheet) 으로 이루어지는 구조체에, 수지, FRP (섬유 강화 수지, GFRP, CFRP 등), 알루미늄판, 마그네슘판, 티탄판 등을 첩부하는 경우 등이 상당한다.
실시예 1
본 발명의 효과를 확인하기 위해, 실시예 1 에서는, 본 발명에 관련된 차체의 보강 부재의 형상 최적화 방법 및 형상 최적화 장치에 의해, 자동차의 차체의 루프를 보강하는 보강 부재의 최적의 형상을 구하는 실험을 실시했으므로, 이하, 이것에 대해 설명한다.
실험에 있어서는, 먼저, 도 2 에 나타내는 차체 모델 (31) 을 취득하였다. 차체 모델 (31) 은, 모두 평면 요소 및/또는 입체 요소를 사용하여 차체를 모델화한 것으로, 차체 모델 (31) 의 재료는 강판으로 하고, 보강 부재 모델 (35) 의 재료는 수지로 하여, 그 재료 특성은 이하의 표 1 에 나타내는 바와 같이 설정하였다.
Figure 112019065374784-pct00001
다음으로, 도 2(b) 에 나타내는 보강 부재 모델 (35) 을 생성하고, 보강 부재 모델 (35) 의 재료 특성을 설정하였다. 보강 부재 모델 (35) 은, 도 3 에 나타내는 바와 같이, 루프부 (33) 의 하면으로부터 하방을 향하여 입체 요소 (35a) 를 겹쳐 쌓도록 생성하였다. 여기서, 보강 부재 모델 (35) 의 두께는 10 ㎜ 로 설정하였다. 또한, 차체 모델 (31) 의 루프부 (33) 는 셸 모델 (shell model) (평면 요소) 로 하였다. 또한, 보강 부재 모델 (35) 의 재료는 수지로 하고, 그 재료 특성으로서 표 1 에 나타내는 영률, 포아송비, 및 비중의 값을 설정하였다.
그리고, 재료 특성을 설정한 보강 부재 모델 (35) 을 도 3 에 나타내는 바와 같이 차체 모델 (31) 의 루프부 (33) 의 하면에 결합하고, 도 2 에 나타내는 최적화 해석 모델 (41) 을 생성하였다. 보강 부재 모델 (35) 과 루프부 (33) 의 결합은, 보강 부재 모델 (35) 의 입체 요소 (35a) 와 루프부 (33) 의 평면 요소 (33a) 각각의 노드 (절점) 를 공유시킴으로써 실시하였다.
마지막으로, 생성한 최적화 해석 모델 (41) 에 해석 조건을 부여하여 토폴러지 최적화 해석 (topology optimization analysis) 을 실행하여, 보강 부재 모델 (35) 의 최적의 형상을 구하였다. 해석 조건으로는, 도 4 에 나타내는 하중 구속 조건을 부여하고, 목적 조건을 변형 에너지 총합의 최소화, 제약 조건을 체적 제약률 20 ％ 이하로 하였다. 도 4 에 나타내는 하중 구속 조건은, 차체 모델 (31) 의 4 개 지점의 잭 업 설치부 (도 4 중의 △ 표시) 를 완전 구속으로 하고, 루프부 (33) 의 상면의 절점에 대해 차체 높이 방향 하향에 500 N 의 분포 하중을 부여하는 것이다. 여기서, 분포 하중을 부여한 루프부 (33) 의 절점수는 24248 개로 하였다.
최적화 해석에 의해 얻어진 최적 형상 보강 부재 모델 (43) 의 결과를 도 5 에, 도 4 에 나타내는 하중 구속 조건을 차체 모델 (31) 에 부여했을 때의 차체 높이 방향의 차체 변위의 해석 결과를 도 7 에 나타낸다.
도 7 로부터, 루프부 (33) 의 중앙부 (도 7 중의 파선 타원으로 둘러싼 부위) 에 비해, 루프부 (33) 의 전단부 (81) 및 후단부 (83) 에 있어서의 변위가 큰 것을 알 수 있다. 도 5 및 도 7 의 결과로부터, 최적화 해석의 과정에 있어서, 차체 변위가 적은 부위에는 입체 요소 (35a) 는 잔존하지 않고, 차체 변위가 큰 부위를 지지하도록 입체 요소 (35a) 가 잔존하고, 그 결과, 최적 형상 보강 부재 모델 (43) 은, 도 5(b) 중에 파선으로 나타내는 바와 같이, 차체의 전단부 및 후단부에 있어서 차체 폭 방향으로 연장되어 차체 좌우의 사이드 레일부 (side rail) (37) 를 잇는 브릿지 (bridge) 형상과, 브릿지 형상과 사이드 레일부 (37) 를 잇는 L 자 형상을 갖는 것이 되었다.
도 8 에, 최적 형상 보강 부재 모델 (43) 의 전부 (前部) (도 8(b) 중의 A-A 단면) 및 중앙부 (도 8(b) 중의 B-B 단면) 에 있어서의 단면 형상을 나타낸다.
최적 형상 보강 부재 모델 (43) 은, 그 전부에서는, 도 8(a) 에 나타내는 바와 같이 두께 방향에 있어서 실외측의 입체 요소가 잔존한 형상인 데에 반해, 중앙부에서는, 도 8(c) 에 나타내는 바와 같이 두께 방향에 있어서 실외측의 입체 요소가 소거되어, 실내측의 입체 요소가 잔존한 형상으로 되어 있다.
최적 형상 보강 부재 모델 (43) 의 전부와 중앙부에서, 그 두께 방향의 형상이 상이했던 이유로는, 루프부 (33) 는 차체 모델 (31) 의 사이드 레일부 (37) 와 이어져 있고, 루프부 (33) 의 구속 상태가 필러 (39) (도 8(b) 참조) 의 위치에 따라 바뀌기 때문에, 최적화 해석에 있어서 보강 부재 모델 (35) 의 두께 방향으로 발생하는 응력 분포의 차이에서 기인되는 것을 생각할 수 있다.
도 9 에, 최적화 해석을 실시하기 전의 최적화 해석 모델 (41) 에 도 4 에 나타내는 하중 구속 조건을 부여했을 때의 보강 부재 모델 (35) 의 응력 분포의 해석 결과를 나타낸다.
보강 부재 모델 (35) 의 중앙부는, 필러 (pillar) (39) (도 8(b) 참조) 의 근방이기 때문에, 도 9 의 (d-2) 에 나타내는 바와 같은 고정단의 빔 모드에 가까운 응력 분포가 되는 데에 반해, 보강 부재 모델 (35) 의 전부는, 필러 (39) 로부터 떨어진 위치이기 때문에, 도 9 의 (d-1) 에 나타내는 바와 같은 응력 분포가 된다. 그리고, 이와 같은 두께 방향에 있어서의 응력 분포의 차이에 의해, 최적화 해석에 있어서 입체 요소가 잔존하는 부위에 차이가 생긴 것으로 생각된다.
이상으로부터, 본 발명에 관련된 차체의 보강 부재의 형상 최적화 방법 및 형상 최적화 장치에 의해, 차체를 보강하는 보강 부재의 최적의 형상을 양호한 정밀도로 구할 수 있는 것이 나타났다.
실시예 2
실시예 2 에서는, 본 발명에 의해 형상 최적화한 보강 부재를 사용하여 차체의 경량화를 검토하는 실험을 실시했으므로, 이하, 이것에 대해 설명한다.
실험에서는, 본 발명에 관련된 차체의 보강 부재의 형상 최적화 방법 및 형상 최적화 장치에 의해 구한 최적 형상 보강 부재 모델을 사용하고, 도 10 에 나타내는 바와 같은, 차체 좌우의 사이드 레일부 (57) 를 잇는 루프 레인포스 (55) 를 루프부 (53) 의 하면에 배치 형성한 차체 모델 (51) 을 대상으로 하여, 차체의 경량화를 검토하였다.
먼저, 차체 모델 (51) 로부터 루프 레인포스 (55) 를 제거한 차체 모델 (61) 을 대상으로 하여, 본 실시형태에 관련된 형상 최적화 장치 (1) 또는 형상 최적화 방법에 의해, 도 10(c) 에 나타내는 최적 형상 보강 부재 모델 (65) 을 구하고, 최적 형상 보강 부재 모델 (65) 을 차체 모델 (61) 의 루프부 (63) 에 결합하여 경량화 해석 모델 (도 5(a) 에 나타내는 최적화 해석을 실행한 후의 최적화 해석 모델 (41) 에 상당) 을 생성한다. 여기서, 최적 형상 보강 부재 모델 (65) 은, 전술한 실시예 1 에서 사용한 최적화 해석과 동일한 해석 조건을 부여하여 구한 것으로, 그 중량은 5.3 ㎏ 이었다.
다음으로, 루프 레인포스 (55) 를 갖는 차체 모델 (51) (도 10(a) 참조) 에, 도 4 에 나타내는 하중 구속 조건을 부여하여 구조 해석 (structural analysis) 을 실시하여, 성능 유지의 목표가 되는 차체 특성의 목표치를 취득하였다. 본 실시예에서는, 차체 특성으로는 루프부 (53) 에 있어서의 차체 높이 방향의 최대 변위를 사용하였다.
마찬가지로, 최적 형상 보강 부재 모델 (65) 을 결합한 경량화 해석 모델에 대해서도, 도 4 에 나타내는 하중 구속 조건을 부여하여 구조 해석을 실시하여, 경량화 해석 모델에 관련된 차체 특성의 해석치로서, 루프부 (63) (도 10(b) 참조) 에 있어서의 차체 높이 방향의 최대 변위를 취득하였다.
또한, 경량화 해석 모델의 루프부 (63) 에 있어서의 최대 변위 (해석치) 와, 차체 모델 (51) 의 루프부 (53) 에 있어서의 최대 변위 (목표치) 를 비교하여, 경량화 해석 모델의 최대 변위가 차체 모델 (51) 의 최대 변위보다 작은 경우, 경량화 해석 모델의 루프부 (63) 의 판 두께를 더욱 감소시켜 구조 해석을 실시하여, 루프부 (63) 의 최대 변위를 차체 특성의 해석치로서 다시 취득하였다.
이와 같이, 경량화 해석 모델의 최대 변위가 차체 모델 (51) 의 최대 변위와 동등 (등가 강성 (equivalent stiffness)) 해질 때까지, 경량화 해석 모델의 루프부 (63) 의 판 두께를 감소시켜 루프부 (63) 의 최대 변위를 취득하였다.
도 11 에, 루프부 (63) 의 판 두께와 그 중량의 관계와, 루프부 (63) 의 판 두께와 차체의 변화 중량의 관계를 나타낸다.
도 11(b) 에 나타내는 차체의 변화 중량은, 루프 레인포스 (55) 가 형성되고, 또한, 루프부 (53) 의 판 두께가 1.2 ㎜ 인 차체 모델 (51) 의 중량을 기준으로 하여, 루프부 (63) 의 판 두께가 변화했을 때의 경량화 해석 모델의 변화 중량이고, 최적 형상 보강 부재 모델 (65) 의 중량으로부터 루프 레인포스 (55) 의 중량과 루프부 (63) 의 판 두께 감소에 의해 변화한 중량을 뺀 것이다.
예를 들어, 루프부 (63) 가 초기 판 두께 1.2 ㎜ 인 경우에 있어서의 차체의 변화 중량은, 루프부 (63) 의 판 두께 감소에 의해 변화하는 중량이 0 ㎏ 이기 때문에, 최적 형상 보강 부재 모델 (65) 의 중량 (= 5.3 ㎏) 으로부터 루프 레인포스 (55) 의 중량 (= 1.7 ㎏) 을 뺀 값 (5.3 ㎏ ― 1.7 ㎏ = ＋3.6 ㎏) 이 된다.
실시예 2 에서 대상으로 한 경량화 해석 모델의 루프부 (63) 는, 초기의 판 두께가 1.2 ㎜, 중량이 15.6 ㎏ 이고, 도 11(a) 에 나타내는 바와 같이, 루프부 (63) 의 중량은, 그 판 두께와의 상관 계수 (correlation coefficient) R 이 R2 = 1 이 되는 점에서, 그 판 두께의 감소와 함께 직선적으로 감소한다.
그리고, 도 11(b) 에 나타내는 바와 같이, 루프부 (63) 의 판 두께 감소에 수반하여 차체의 변화 중량은 감소하고, 루프부 (63) 의 판 두께가 0.93 ㎜ 일 때, 차체의 변화 중량은 0 ㎏ 이 된다. 즉, 루프부 (63) 의 판 두께를 0.93 ㎜ 이하로 감소시킴으로써, 경량화 해석 모델은 차체 모델 (51) 보다 경량화할 수 있는 것을 알 수 있다.
도 12 에, 루프부 (63) 의 판 두께를 변경했을 때의 경량화 해석 모델의 강성 향상률을 나타낸다. 여기서, 강성 향상률은, 루프 레인포스 (55) 가 형성되어 있는 차체 모델 (51) 의 강성과, 최적 형상 보강 부재 모델 (65) 을 결합한 경량화 해석 모델의 강성의 비이고, 차체 모델 (51) 및 경량화 해석 모델의 강성은, 루프부 (53) 및 루프부 (63) 각각에 부여된 하중의 총합을 최대 변위로 나눈 값이다.
도 12 로부터, 루프부 (63) 가 초기 판 두께 1.2 ㎜ 일 때, 경량화 해석 모델의 강성은, 차체 모델 (51) 에 비해 약 33 ％ 높은 값이다. 그리고, 루프부 (63) 의 판 두께를 감소시키면, 경량화 해석 모델의 강성 향상률은 감소하고, 판 두께 0.53 ㎜ 일 때에 강성 향상률은 거의 0 ％, 즉, 루프 레인포스 (55) 를 갖는 차체 모델 (51) 의 강성과 거의 동등해진다 (등가 강성).
도 13 에, 차체 모델 (51) (최적 형상 보강 부재 모델 (65) (도 10(c) 참조) 없음) 과, 루프부 (63) 에 최적 형상 보강 부재 모델 (65) 을 결합한 경량화 해석 모델 (71) (루프부 (63) 의 판 두께 1.2 ㎜ 및 0.53 ㎜) 에 있어서의 차체 변위의 해석 결과를 나타낸다.
경량화 해석 모델 (71) 의 루프부 (63) 의 판 두께가 1.2 ㎜ 인 경우 (도 13(b) 참조), 경량화 해석 모델 (71) 의 차체 변위는, 차체 모델 (51) 의 차체 변위에 비해 전체적으로 작아, 루프부 (63) 에 있어서의 최대 변위 (―0.21 ㎜) 는, 차체 모델 (51) 의 루프부 (53) 에 있어서의 최대 변위 (―0.28 ㎜) 보다 작은 값이다.
한편, 경량화 해석 모델 (71) 의 루프부 (63) 의 판 두께가 0.53 ㎜ 인 경우 (도 13(c) 참조), 루프부 (63) 에 있어서의 최대 변위 (―0.28 ㎜) 를 나타내는 부위는, 차체 모델 (51) 의 루프부 (53) 에 있어서의 최대 변위 (―0.28 ㎜) 를 나타내는 부위와 상이하지만, 양자의 최대 변위는 동등한 값이다.
따라서, 도 11 ∼ 도 13 의 결과로부터, 루프 레인포스 (55) 대신에 최적 형상 보강 부재 모델 (65) 을 사용한 경우, 루프부 (63) 의 판 두께를 1.2 ㎜ 에서 0.53 ㎜ 로 감소시킴으로써, 도 11(b) 의 점선 화살표로부터, 루프부 (63) 의 판 두께 0.53 ㎜ 는 차체의 변화 중량 ―5.2 ㎏ 에 대응하기 때문에, 루프 레인포스 (55) 가 형성되어 있는 차체 모델 (51) 과 동등한 강성을 유지한 채로, 루프 레인포스 (55) 의 삭감과 루프부 (63) 의 판 두께 감소에 의해 차체 중량을 5.2 ㎏ 경량화할 수 있는 것이 나타났다.
이상, 본 발명에 관련된 차체의 보강 부재의 형상 최적화 방법 및 형상 최적화 장치에 의해, 차체를 보강하는 보강 부재의 최적의 형상을 구하고, 최적 형상의 보강 부재를 차체에 결합함으로써, 차체의 성능을 유지한 채로 차체를 경량화할 수 있는 것이 실증되었다.
산업상 이용 가능성
본 발명에 의하면, 차체인 구조체의 일부에 구조체와 상이한 재료 특성의 보강 부재를 결합하여 구조체를 보강하는 데에 있어서, 보강 부재의 최적의 형상을 구하는 것이 가능한 차체의 보강 부재의 형상 최적화 방법 및 형상 최적화 장치를 제공할 수 있다.
1 : 형상 최적화 장치
3 : 표시 장치
5 : 입력 장치
7 : 기억 장치
9 : 작업용 데이터 메모리
11 : 연산 처리부
13 : 구조체 모델 취득부
15 : 보강 부재 모델 생성부
17 : 재료 특성 설정부
19 : 최적화 해석 모델 생성부
21 : 최적화 해석부
23 : 구조체 모델 파일
31 : 차체 모델
33 : 루프부
33a : 평면 요소
35 : 보강 부재 모델
35a : 입체 요소
37 : 사이드 레일부
39 : 필러
41 : 최적화 해석 모델
43 : 최적 형상 보강 부재 모델
51 : 차체 모델
53 : 루프부
55 : 루프 레인포스
57 : 사이드 레일부
61 : 차체 모델
63 : 루프부
65 : 최적 형상 보강 부재 모델
71 : 경량화 해석 모델
81 : 전단부
83 : 후단부

Claims (10)

  1. 차체인 구조체와 재료 특성이 상이하고, 그 구조체의 일부에 첩부하여 결합하는 보강 부재의 최적의 형상을 구하는 차체의 보강 부재의 형상 최적화 방법으로, 컴퓨터가 이하의 각 스텝을 실시하는 것으로서,
    평면 요소 및/또는 입체 요소를 사용하여 상기 구조체를 모델화한 구조체 모델을 취득하는 구조체 모델 취득 스텝과,
    상기 구조체와는 다르고, 입체 요소로 이루어지고 상기 구조체 모델의 일부에 첩부하여 결합하는 보강 부재 모델을 생성하는 보강 부재 모델 생성 스텝과,
    그 첩부한 보강 부재 모델의 재료 특성을 설정하는 재료 특성 설정 스텝과,
    상기 첩부한 보강 부재 모델을 상기 구조체 모델의 일부에 결합하여 최적화 해석 모델을 생성하는 최적화 해석 모델 생성 스텝과,
    그 생성한 최적화 해석 모델에 해석 조건을 부여하고, 상기 첩부한 보강 부재 모델을 최적화의 해석 대상으로 하여 최적화 해석을 실시하여, 상기 보강 부재 모델의 최적의 형상을 구하는 최적화 해석 스텝을 포함하는 것을 특징으로 하는 차체의 보강 부재의 형상 최적화 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 재료 특성 설정 스텝은, 상기 첩부한 보강 부재 모델의 재료 특성으로서, 영률, 포아송비, 및 비중을 설정하는 것을 특징으로 하는 차체의 보강 부재의 형상 최적화 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 재료 특성 설정 스텝은, 상기 첩부한 보강 부재 모델의 재료 특성의 면내 이방성을 부여하는 주축 각도를 부여하고, 그 주축 각도에 대응하는 상기 재료 특성의 값을 설정하고, 상기 첩부한 보강 부재가 복수의 층으로 이루어지는 경우에는, 각각의 주축 각도를 갖는 층을 중첩하는 것을 특징으로 하는 차체의 보강 부재의 형상 최적화 방법.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 재료 특성 설정 스텝은, 상기 첩부한 보강 부재 모델의 재료 특성의 면내 이방성을 부여하는 주축 각도를 부여하고, 그 주축 각도에 대응하는 상기 재료 특성의 값을 설정하고, 상기 첩부한 보강 부재가 복수의 층으로 이루어지는 경우에는, 각각의 주축 각도를 갖는 층을 중첩하는 것을 특징으로 하는 차체의 보강 부재의 형상 최적화 방법.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 최적화 해석 스텝은, 토폴러지 최적화에 의한 해석 처리를 실시하는 것을 특징으로 하는 차체의 보강 부재의 형상 최적화 방법.
  6. 차체인 구조체와 재료 특성이 상이하고, 그 구조체의 일부에 첩부하여 결합하는 보강 부재의 최적의 형상을 구하는 차체의 보강 부재의 형상 최적화 장치로서,
    평면 요소 및/또는 입체 요소를 사용하여 상기 구조체를 모델화한 구조체 모델을 취득하는 구조체 모델 취득부와,
    상기 구조체와는 다르고, 입체 요소로 이루어지고 상기 구조체 모델의 일부에 첩부하여 결합하는 보강 부재 모델을 생성하는 보강 부재 모델 생성부와,
    그 첩부한 보강 부재 모델의 재료 특성을 설정하는 재료 특성 설정부와,
    상기 첩부한 보강 부재 모델을 상기 구조체 모델의 일부에 결합하여 최적화 해석 모델을 생성하는 최적화 해석 모델 생성부와,
    그 생성한 최적화 해석 모델에 해석 조건을 부여하고, 상기 첩부한 보강 부재 모델을 최적화의 해석 대상으로 하여 최적화 해석을 실시하여, 상기 보강 부재 모델의 최적의 형상을 구하는 최적화 해석부를 구비하는 것을 특징으로 하는 차체의 보강 부재의 형상 최적화 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 재료 특성 설정부는, 상기 첩부한 보강 부재 모델의 재료 특성으로서, 영률, 포아송비, 및 비중을 설정하는 것을 특징으로 하는 차체의 보강 부재의 형상 최적화 장치.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 재료 특성 설정부는, 상기 첩부한 보강 부재 모델의 재료 특성의 면내 이방성을 부여하는 주축 각도를 부여하고, 그 주축 각도에 대응하는 상기 재료 특성의 값을 설정하고, 상기 첩부한 보강 부재가 복수의 층으로 이루어지는 경우에는, 각각의 주축 각도를 갖는 층을 중첩하는 것을 특징으로 하는 차체의 보강 부재의 형상 최적화 장치.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 재료 특성 설정부는, 상기 첩부한 보강 부재 모델의 재료 특성의 면내 이방성을 부여하는 주축 각도를 부여하고, 그 주축 각도에 대응하는 상기 재료 특성의 값을 설정하고, 상기 첩부한 보강 부재가 복수의 층으로 이루어지는 경우에는, 각각의 주축 각도를 갖는 층을 중첩하는 것을 특징으로 하는 차체의 보강 부재의 형상 최적화 장치.
  10. 제 6 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 최적화 해석부는, 토폴러지 최적화에 의한 해석 처리를 실시하는 것을 특징으로 하는 차체의 보강 부재의 형상 최적화 장치.
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